JP4202962B2 - 基板処理方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

基板処理方法及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、化学増幅型レジストの感度を向上させ得る加熱処理方法及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置製造では、素子領域形成、電極配線加工等に先立ち、レジストパターンが被加工基板上に形成される(リソグラフィ工程)。加工するパターンの微細化に伴い、リソグラフィ工程では化学増幅型レジストが現在では広く用いられるようになった。化学増幅型レジストを用いたレジストパターンは、一般に以下のように形成される。まず、被処理基板である半導体ウエハ上にレジスト塗布膜を形成した後、所定パターンを露光により転写することで潜像を形成する。その後、PEB(Post Exposure Bake)と呼ばれる露光後の加熱処理工程により、露光時に生成されたレジスト膜中の酸を拡散させる。その後、アルカリ現像液等を用いて現像処理することで、レジストパターンを形成する。
微細パターンを形成するためには、上記露光時の光源の短波長化が必要とされている。現在、KrF、ArF等のエキシマレーザー光が用いられ、露光装置として実用化されているが、DUV光によるパターン形成では、パターン解像度の限界があるため、次世代のリソグラフィ技術として低加速EBリソグラフィーや電子ビーム投影露光(EPL)技術の開発が進められている。これら、電子ビームを用いたリソグラフィープロセスでは光リソグラフィに比べ、より多くの描画時間が必要なため、スループットを如何に改善するかが、重要な技術課題とされている。
これに対し、使用する化学増幅型レジスト材料をより高感度化させることが検討されている。しかし、レジストプロファイルや、ラインエッジラフネスなどのレジスト特性とスループットから要求されている感度とをレジスト材料の最適化だけで両立させのは、現状で非常に困難であるとされている。
また、PEB中にレジスト膜厚に対して垂直方向に電圧を印加させ、レジストの感度を実質的に向上させる方法が報告されている(非特許文献1)。これらの報告では、PEB時の電界アシスト効果により、低い照射量で所望寸法のパターン形成することが可能で、実質的なレジスト感度の向上に成功している。しかしながら、これらのPEB方法では、PEB中にレジスト膜表面に電極を直接乗せて、電圧印加させるために電極が汚れ、処理を行う毎に電極をクリーニングする必要がある。また、電界強度が電極とウエハとの距離に大きく依存するため、ウエハ面内で均一に電圧を印加することが困難であるなど、実用化するためには、克服すべき課題が山積しているのが現状であった。
M.Cheng et.al, J.Vac Sci Tech. 18(6), pp.3318, Nov/Dev 2000
本発明の目的は、実質的にレジストの感度を向上させ得る基板処理方法、及びこの基板処理方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
本発明の一例に係わる基板処理方法は、被処理基板上に、エネルギー線照射によって所望の潜像が形成されている化学増幅型レジスト膜を形成する工程と、前記化学増幅型レジスト膜に熱を供給して熱処理を行う工程とを含む基板処理方法において、前記熱処理は、前記化学増幅型レジスト膜の表面部の温度をTT、前記化学増幅型レジスト膜の前記被処理基板との界面部の温度をTBとしたとき、TT<TBを満たす第1の温度状態にする工程と、TT>TBを満たす第2の温度状態にする工程とを含む。
本発明によれば、 前記化学増幅型レジスト膜の表面部の温度と前記化学増幅型レジスト膜の前記被処理基板との界面部の温度との大小関係を変化させることによって、レジスト膜の感度を向上させることができる。
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係わる半導体装置の製造工程の一部を示すフローチャートである。
半導体装置の製造途中である直径300mmの半導体基板を用意する。半導体基板(以下ウエハと称す)上に回転塗布法により反射防止剤を塗布する。190℃、60秒の条件でベーク処理して、膜厚60nmの反射防止膜を被処理基板上に形成する。反射防止膜上に上にさらにポジ型化学増幅型レジスト剤を塗布する(ステップST1)。130℃、60秒の条件でプリベークと呼ばれるレジスト中の溶剤を揮発させるための露光前加熱処理を行い、反射防止膜上に300nmのレジスト膜を形成する(ステップST2)。プリベーク後ウエハを室温まで冷却し、電子ビーム描画装置にウエハを搬送する。次いで、70nmライン&スペースパターンの繰り返しパターンを加速電圧50kVの条件で描画を行い、潜像を形成する(ステップST3)。
露光後、ウエハを電子ビーム描画装置から搬出し、加熱処理装置へと搬送し、PEB(Post Exposure Bake)と呼ばれる露光後加熱処理を130℃、90秒の条件で行う(ステップST4)。
以下、PEB処理の詳細について説明する。図2は、本実施形態で使用する加熱処理装置を模式的に示した断面図である。加熱処理装置のチャンバ101内には、ウエハ100を裏面から加熱するためのホットプレート102と、ウエハ100上面から加熱する光加熱ユニット103の2つの加熱ユニットが設置されている。ウエハ100は、搬送アーム(図示しない)等によってチャンバ101内へと搬送され、高さ0.1mmのプロキシミティギャップ104を介してホットプレート102上に載置される。ホットプレート102は、熱の分布を均一にする均熱板102aと同心円状に分割されたヒータ102bとで構成されている。ヒータ102bの温度は、電圧供給部105及び電圧制御部106と図示しない温度モニタ機構とによって、所望値に制御される。ウエハ100上部には、光加熱ユニット103が設置され、光加熱ユニット103から放射された光は、ウエハ100表面に照射される。本実施形態では、ハロゲンランプを光源として用い、紫外領域の波長をカットするフィルタ(図示せず)を介してウエハ表面へと照射した。光加熱ユニット103は、複数の光照射部から構成され、電圧供給部107及び電圧制御部108によって、それぞれが独立に制御され、ウエハ面内で均一な加熱が可能となっている。また、電圧制御部108と、図示しない温度モニタ機構とによってレジスト膜表面の温度を所望値に制御することが可能となっている。また、図示しない導入口、排気口及びパージ気流形成手段により、ウエハ表面でパージ気流109が形成される。パージ気流109は、排気速度、気体温度が制御可能な構成となっている。
次いで、加熱シーケンスについて、図面を参照しながら説明する。
図3は、本実施形態で用いた加熱処理時間に対するレジスト表面(レジスト上部)及び下地反射防止膜との界面部(レジスト底部)の温度特性を模式的に示したものである。図中の破線がレジスト上部を実線がレジスト底部の温度を示している。ここでは、加熱処理開始時間をt=0とした。
加熱初期段階(第1の温度状態TC1)では、ウエハ100下面のホットプレート102から熱が供給されるように制御した。このとき、チャンバ101内のパージ気流109によって、レジスト膜上部では熱が奪われる。そのため、レジスト膜底部の温度がレジスト膜上部よりも高温になる。このときのレジスト上部と底部とで生じた温度勾配によって、レジスト膜120中の酸121は、レジスト膜120上部方向への力が働き、酸121の上部方向への移動が進行する(図4(a))。
時間t1=20秒において、ウエハ100上部に設置された光加熱ユニット103のパワーをONにすることで、ウエハ100上部から加熱し、レジスト膜上部の温度を底部に比べて高くする(第2の温度状態TC2)。第2の温度状態TC2では、レジスト膜120底部方向への力が働くため、酸121はレジスト膜120底部方向へ移動する(図4(b))。
時間t=40秒において、ウエハ下部に設置されたホットプレートのヒータ出力を上げることで、ウエハ下部の温度を上部に比べて高くした(第3の温度状態TC3)。第3の温度状態TC3では、レジスト膜120上部方向への力が働くため、酸121は上部方向へ移動する(図4(c))。
時間t=60秒において、ウエハ100上部に設置された光加熱ユニット103の出力をさらに上げることで、ウエハ100上部から加熱し、レジスト膜120上部の温度を底部に比べて高くした(第4の温度状態TC4)。第4の温度状態TC4では、レジスト膜120底部方向への力が働くため、酸121は底部方向へ移動する(図4(d))。
時間t4=80秒において、ウエハを加熱処理装置外へと搬出し、冷却ユニット(図示せず)に搬送して、室温にまで冷却した。さらに現像装置へと搬送し、TMAHを主成分とするアルカリ現像液で現像処理を行い、レジストパターンを形成する(ステップST5)。
レジストパターンをマスクに半導体基板又は半導体基板上に形成された膜をエッチングする(ステップST6)。次いで、レジストパターン除去する(ステップST7)。
従来のPEB方法では、70nmライン&スペースパターンを所望寸法に形成するために、10.2μC/cm2の照射量がEB描画時に必要であったが、本実施形態記載のPEB方法では、5.7μC/cm2の照射量で所望寸法が形成でき、実質的にレジスト膜の感度を向上させることができた。
本実施形態では、2つの加熱源をウエハの上面と下面に配置し、温度制御を行ったが、これに限定されることは無い。例えば、図5に示すように、チャンバ101内のウエハ100下面に1つのホットプレート102を配置し、チャンバ101内の圧力を圧力制御部130でコントロールすることで、レジスト膜上面の温度を制御することでも、同様の効果が得られる。例えば、チャンバ101内の圧力P1,温度T1の状態から圧力P2,温度T2の状態の状態にした時、温度T2=(P2/P1)×T1となる。チャンバ内の温度が変化することでレジスト膜の上面の温度が変化する。なお、ホットプレート102の温度制御を併用しても良い。
本実施形態では、光源としてハロゲンランプを用いたが、これに限定されることなく、他の光源を用いても良い。
初期状態でレジスト膜の下部の温度が高くなるようにしたが、レジスト膜の上部側の温度が高くなるようにしても良い。
また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、様々な変形が可能である。
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
本発明の一実施形態に係わる半導体装置の製造工程の一部を示すフローチャート。 加熱処理装置を模式的に示した断面図。 加熱処理時間に対するレジスト表面(レジスト上部)及び下地反射防止膜との界面部(レジスト底部)の温度特性を示す図。 加熱時のレジスト膜内の酸が動きを模式的に示す図。 加熱処理装置を模式的に示す図。
符号の説明
100…ウエハ,101…チャンバ,102…ホットプレート,102a…均熱板,102b…ヒータ,103…光加熱ユニット,104…プロキシミティギャップ,105…電圧供給部,106…電圧制御部,107…電圧供給部,108…電圧制御部,109…パージ気流

Claims (7)

  1. 被処理基板上に、エネルギー線照射によって所望の潜像が形成されている化学増幅型レジスト膜を形成する工程と、
    前記化学増幅型レジスト膜に熱を供給して熱処理を行う工程とを含む基板処理方法において、
    前記熱処理は、
    前記化学増幅型レジスト膜の表面部の温度をTT、前記化学増幅型レジスト膜の前記被処理基板との界面部の温度をTBとしたとき、
    T<TBを満たす第1の温度状態にする工程と、TT>TBを満たす第2の温度状態にする工程とを含むことを特徴とする基板処理方法。
  2. 前記第1の温度状態と前記第2の温度状態とは、
    前記被処理基板の上部及び下部にそれぞれ配置された熱源からの熱の供給量を制御することによって作り出されることを特徴とする請求項1記載の基板処理方法。
  3. 前記熱の供給量の制御が、前記熱源の発熱量、前記被処理基板と熱源の距離の少なくとも一方が制御されることによって行われることを特徴とする請求項2記載の基板処理方法。
  4. 前記第1の温度状態と前記第2の温度状態とは、前記熱処理時の圧力を制御することによって、作り出されることを特徴とする請求項1記載の基板処理方法。
  5. 前記第1の温度状態と前記第2の温度状態とが、交互に現れることを特徴とする前記請求項1記載の基板処理方法。
  6. 前記第1の温度状態から前記第2の温度状態への遷移、または前記第2の温度状態から前記第1の温度状態への遷移が、前記TT、TBのどちらか一方の温度が変更されることによって行われることを特徴とする前記請求項1記載の基板処理方法。
  7. 請求項1に記載された基板処理方法を用いた半導体装置の製造方法。
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